Autodesk Moldflow在改善齒環(huán)真圓度變形中的應(yīng)用

2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

作者:Autodesk Moldflow中國(guó) 李建

由於含玻纖增強(qiáng)的PA66在生產(chǎn)塑料齒輪類對(duì)真圓度要求極高的產(chǎn)品時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)橢圓化變形,從而影響產(chǎn)品的品質(zhì)。本文針對(duì)一個(gè)典型的電動(dòng)工具內(nèi)部的傳動(dòng)齒環(huán)的變形問(wèn)題,介紹如何借助Autodesk? Moldflow?強(qiáng)大的視覺(jué)化分析功能,實(shí)現(xiàn)一次改模便可解決產(chǎn)品的品質(zhì)問(wèn)題。

PA66材料具有很好的抗沖擊性、高強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性,特別是在添加玻纖增強(qiáng)後,機(jī)械性能可以進(jìn)一步提高,因此PA66被廣泛的應(yīng)用於塑膠齒輪的生產(chǎn)中。但是,由於含玻纖增強(qiáng)的PA66在收縮上具有明顯的各項(xiàng)異性,所以在生產(chǎn)塑膠齒輪這類對(duì)真圓度要求極高的產(chǎn)品時(shí),往往出現(xiàn)橢圓化變形,影響產(chǎn)品品質(zhì),特別是對(duì)於要求在高轉(zhuǎn)速工況下工作的塑膠齒輪。因此塑膠齒輪的真圓度變形問(wèn)題一直以來(lái)都是電動(dòng)工具制造商及其供應(yīng)商需要面對(duì)并解決的重要問(wèn)題。

本文針對(duì)一個(gè)典型的電動(dòng)工具內(nèi)部的傳動(dòng)齒環(huán)的變形問(wèn)題,借助Autodesk? Moldflow?強(qiáng)大的視覺(jué)化分析功能,找出導(dǎo)致產(chǎn)品橢圓化變形的主要原因,試驗(yàn)并確認(rèn)有效的解決方案,實(shí)現(xiàn)一次改模便可解決產(chǎn)品的品質(zhì)問(wèn)題。

案例描述

圖1所示為電動(dòng)工具上的傳動(dòng)齒環(huán),產(chǎn)品外形尺寸為:?36.5mm* 10.2mm,為內(nèi)外雙層齒形。

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圖 1 齒環(huán)產(chǎn)品實(shí)物

材料為:PA66+50%GF,BASF,Ultramid A3EG10,產(chǎn)品內(nèi)外齒型的真圓度要求小於0.10mm。該產(chǎn)品年需求量為1000萬(wàn)件,最初的模具方案如圖2所示為8點(diǎn)進(jìn)膠,1模兩腔。

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圖 2 模具設(shè)計(jì)方案

該產(chǎn)品由於產(chǎn)量較大,為提高產(chǎn)量需要做一模兩腔。據(jù)廠商敍述,該產(chǎn)品為達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸要求,澆口數(shù)量從3個(gè)一直增加到8個(gè),但依然無(wú)法滿足尺寸要求。在8點(diǎn)進(jìn)膠的情況下,產(chǎn)品的真圓度跳動(dòng)將近0.2mm,超出設(shè)計(jì)要求近1倍。

為找出導(dǎo)致產(chǎn)品真圓度問(wèn)題的主要原因,我們?cè)贛PI中構(gòu)建了與實(shí)際情況完全相同的分析模型,并采用實(shí)際的成型工藝參數(shù)進(jìn)行了模擬。

產(chǎn)品變形的原因分析:

在Autodesk? Moldflow?中,我們借助軟件強(qiáng)大的分析功能,對(duì)產(chǎn)品的填充樣式,產(chǎn)品各區(qū)域的收縮分布,產(chǎn)品的凝固過(guò)程以及產(chǎn)品的變形情況及導(dǎo)致變形的主要原因等各個(gè)方面都做了細(xì)致的分析,從而準(zhǔn)確的判斷出導(dǎo)致產(chǎn)品變形的主要原因。

產(chǎn)品變形情況

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圖 3 產(chǎn)品的變形結(jié)果

產(chǎn)品變形的結(jié)果如圖3所示,變形結(jié)果與產(chǎn)品的實(shí)際情況比較一致。產(chǎn)品水平方向?yàn)橹髁鞯婪较?。同時(shí)Autodesk? Moldflow?還能找出導(dǎo)致產(chǎn)品變形的原因,以及各因素對(duì)總的變形量的影響大小,以便於找出導(dǎo)致產(chǎn)品變形的主要原因。產(chǎn)品的變形原因分析如圖4所示。

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圖 4 產(chǎn)品的變形原因分析

從圖3所示的放大10倍後的變形結(jié)果可以看到,產(chǎn)品有明顯的橢圓化趨勢(shì)。從圖4的變形原因分析中可以看到,雖然材料的收縮對(duì)產(chǎn)品的尺寸變化影響最大,但導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)橢圓化變形的真正原因卻是玻纖的排布。因此要解決產(chǎn)品真圓度的問(wèn)題,就必須先了解玻纖在產(chǎn)
品中的排列情況。

產(chǎn)品內(nèi)部的玻纖分布情況

Autodesk? Moldflow?可以幫助用戶了解到玻纖在產(chǎn)品內(nèi)部的排列情況,從而判斷收縮的分布差異。從玻纖分布情況分析我們看到,在靠近主流道位置的澆口區(qū)域,玻纖的排列與其他區(qū)域完全相反,玻纖出現(xiàn)了橫向排列,而其他區(qū)域的玻纖幾乎都是豎直排列。我們知道,沿著玻纖排列方向的收縮小,垂直玻纖排列方向的收縮大,因此,產(chǎn)品在整個(gè)環(huán)面上的收縮就出現(xiàn)了差異。這就是導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)橢圓化變形的主要原因。

而玻纖的排列方向主要受到流動(dòng)剪切力的影響,因此玻纖排列的差異說(shuō)明產(chǎn)品的填充過(guò)程中有明顯的不平衡現(xiàn)象,從而使靠近主流道位置的膠料出現(xiàn)了整體橫向流動(dòng)。要了解玻纖排列異常的原因我們需要進(jìn)一步研究產(chǎn)品的充填模式。

產(chǎn)品的填充樣式

對(duì)於如圖2所示的澆注系統(tǒng),我們一般認(rèn)為靠近主流道的澆口的填充速度會(huì)比較快,因?yàn)槠淞鞒潭?在同等條件下壓力損失會(huì)比較小,因此該澆口所在的區(qū)域應(yīng)首先填滿。但通過(guò)分析我們發(fā)現(xiàn),該澆口所在的區(qū)域卻是最後才充滿的,即在該區(qū)域有嚴(yán)重的滯流發(fā)生。

再分析產(chǎn)品充填過(guò)程中的料峰溫度分布,我們看到,該區(qū)域料峰溫度有10度左右的降低,對(duì)於含玻纖較高的材料,10度的溫度降低將明顯影響材料的流動(dòng)性能,使該區(qū)域流速減慢,成為最後充填完成的區(qū)域。所以,該產(chǎn)品變形的真正原因是因?yàn)槌涮钸^(guò)程中的滯留導(dǎo)致膠料在填充末端出現(xiàn)不規(guī)則流動(dòng),從而破壞了玻纖排列的對(duì)稱性和均勻性,引起膠料在垂直於齒環(huán)軸線方向出現(xiàn)局部的收縮差異,最後導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)橢圓化變形。

改善方案

針對(duì)該產(chǎn)品,要提高產(chǎn)品的真圓度,就需要改善目前由於模具設(shè)計(jì)方案不合理所導(dǎo)致的流動(dòng)不平衡問(wèn)題。針對(duì)該產(chǎn)品的特點(diǎn)及模具的要求,我們提出了采用復(fù)合流道來(lái)改善產(chǎn)品的填充情況的方案。從圖5的模擬結(jié)果可以看出,復(fù)合流道完全可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的平衡充填。

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圖 5 復(fù)合流道的充填模式

從圖6的結(jié)果可以看到,流動(dòng)平衡後玻纖在產(chǎn)品內(nèi)的排列變得極為規(guī)則和完全對(duì)稱分布,這有利於最大限度的降低產(chǎn)品的收縮差異,提高產(chǎn)品的真圓度。變形結(jié)果(圖7)也驗(yàn)證了這一點(diǎn),通過(guò)平衡流動(dòng),改善玻纖排列後,產(chǎn)品的真圓度跳動(dòng)降低了58%,產(chǎn)品的尺寸滿足了設(shè)計(jì)要求。最後廠商根據(jù)這一方案進(jìn)行模具的改善,一次試模即獲得了成功。

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圖 6 平衡後的玻纖分布

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圖7 平衡後的變形分布

小結(jié)

流動(dòng)平衡是進(jìn)行澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的第一準(zhǔn)則,即使是細(xì)小的充填不平衡也會(huì)極大的影響到填充的樣式、玻纖的排列、剪切應(yīng)力的分布以及收縮的差異,流動(dòng)不平衡引起的變形是業(yè)界經(jīng)常遇到的問(wèn)題,而對(duì)於尺寸要求較高的產(chǎn)品尤其明顯;同時(shí)對(duì)於多點(diǎn)進(jìn)膠的3板模,由於主流道和分流道搭接的原因常常會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)的不平衡,這也是業(yè)界較難解決的問(wèn)題之一。以往廠商往往采用調(diào)整澆口大小的方法來(lái)改善流動(dòng)平衡,本案例通過(guò)采用復(fù)合流道設(shè)計(jì)方案,較好的解決了這一難題。

同時(shí)也可看到,通過(guò)采用先進(jìn)的模流分析工具,我們可以將以前需要憑經(jīng)驗(yàn)判斷的東西資料化,并從微觀的角度了解產(chǎn)品內(nèi)部的玻纖排列情況,從而極大的方便用戶對(duì)問(wèn)題的把握,便於在最短的時(shí)間內(nèi)找到最有效的改善方法,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,降低開發(fā)成本。(end)

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